低水頭小容量水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì).doc

低水頭小容量水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)低水頭小容量水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)鮑學(xué)松(香格里拉縣水利水電局勘測(cè)設(shè)計(jì)所,云南迪慶674400)摘要:水電開發(fā)建設(shè)已成為投資熱點(diǎn)之一,但由于水輪發(fā)電機(jī)組選型不當(dāng)而造成電站效益不盡理想的現(xiàn)象十分普遍.基于以上背景,現(xiàn)以低水頭小容量水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)為研究對(duì)象,結(jié)合水輪機(jī)選型的基本原則,內(nèi)容和方法,以實(shí)例分析了低水頭小容量水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)問(wèn)題.關(guān)鍵詞:低水頭;小容量;水輪發(fā)電機(jī)組;選型設(shè)計(jì)水輪機(jī)是水電站的主要?jiǎng)恿υO(shè)備,水輪機(jī)的型號(hào)與參數(shù)選擇是否合理將直接影響到水站的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo),運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性.水輪機(jī)選型的主要任務(wù)是根據(jù)水電站的開發(fā)方式,動(dòng)能參數(shù),水工建筑物的布置等,考慮國(guó)內(nèi)外已有水輪機(jī)的參數(shù),制造廠家(公司)的生產(chǎn)水平,擬定若干個(gè)機(jī)型比較方案,另通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,確定最優(yōu)方案.1水輪機(jī)選型的基本原則及內(nèi)容1.1基本原則水輪機(jī)選型應(yīng)遵循以下的基本原則:(1)水輪機(jī)在設(shè)計(jì)水頭下能發(fā)出額定功率,低于設(shè)計(jì)水頭時(shí)機(jī)組受阻容量盡可能小;(2)電站運(yùn)行中水輪機(jī)有較高的運(yùn)行效率;(3)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,靈活,可靠,有良好的抗空化性能;(4)多泥沙河流電站的水輪機(jī)應(yīng)具有良好的抗磨損,抗空蝕性能;(5)機(jī)組易損部件易于更換,機(jī)組便于操作及安裝維護(hù);(6)機(jī)組供貨及時(shí),技術(shù)要求應(yīng)符合制造廠家的設(shè)計(jì),試驗(yàn)及制造水平;(7)機(jī)組的最大部件和最重部件運(yùn)輸可行性.1.2水輪機(jī)選擇的內(nèi)容對(duì)每一個(gè)擬定方案的計(jì)算內(nèi)容包括:(1)單機(jī)容量及機(jī)組臺(tái)數(shù);(2)水輪機(jī)型號(hào)和裝置形式;(3)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速;(4)吸出高度及安裝高程;(5)飛逸轉(zhuǎn)速;(6)軸向水推力(反擊式水輪機(jī));(7)射流直徑,噴嘴數(shù)等(沖擊式水輪機(jī)):(8)繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線.2水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)的基本方法2.1應(yīng)用統(tǒng)計(jì)資料選擇水輪機(jī)這種方法以已建水電站的統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ),通過(guò)匯集,統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外已建水電站的水輪機(jī)的基本參數(shù),再把它們按水輪機(jī)形式,應(yīng)用水頭,單機(jī)容量等參數(shù)分別進(jìn)行歸類.在此基礎(chǔ)上,用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法作出水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速,單位參數(shù)與應(yīng)用水頭的關(guān)系曲線m(日),n,-f(H),Q.(,)以及電站空化系數(shù)與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線op()等,或者用數(shù)值逼近法得出關(guān)于這些參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式.當(dāng)確定了水電站的水頭與裝機(jī)容量等基本參數(shù)后,可根據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線或經(jīng)驗(yàn)公式確定水輪機(jī)的形式與基本參數(shù).按照選定的水輪參數(shù)向水輪機(jī)生產(chǎn)廠提出制造任務(wù)書,由制造廠生產(chǎn)出符合用戶要求的水輪機(jī),這種方法在國(guó)外被廣泛采用.2.2按水輪機(jī)系列型譜選擇水輪機(jī)一些國(guó)家對(duì)水輪機(jī)設(shè)備進(jìn)行了系列化,通用化與標(biāo)準(zhǔn)化,制定148了水輪機(jī)型譜,為每一水頭段配置了一種或幾種水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,并通過(guò)模型試驗(yàn)獲得了各型號(hào)水輪機(jī)的基本參數(shù)與模型綜合特性曲線.這樣,設(shè)計(jì)者就可以根據(jù)水輪機(jī)型譜與模型綜合特性曲線選擇水輪機(jī)的型號(hào)與參數(shù).我國(guó)與前蘇聯(lián)都曾頒布過(guò)水輪機(jī)型譜.水輪機(jī)型譜可為水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)提供便利,可使選型工作簡(jiǎn)化與標(biāo)準(zhǔn)化.但要注意不可局限于已制定的水輪機(jī)型譜,當(dāng)型譜中的轉(zhuǎn)輪性能不能滿足設(shè)計(jì)電站的要求時(shí),要通過(guò)認(rèn)真分析研究提出新的水輪機(jī)方案,與生產(chǎn)廠家協(xié)商,設(shè)計(jì),制造出符合要求的水輪機(jī);同時(shí),要不斷發(fā)展,完善,更新水輪機(jī)型譜.2.3用套用法選擇水輪機(jī)這種方法是直接套用與報(bào)建電站的基本參數(shù)(水頭,裝機(jī)容量)相近的已建電站的水輪機(jī)型號(hào)與參數(shù).該方法多用于小型水電站的設(shè)計(jì),它可以使設(shè)計(jì)工作大為簡(jiǎn)化.但要注意的是,必須合理套用,要對(duì)擬建電站與已建電站的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析與比較,還要考慮不同年代水輪機(jī)的設(shè)計(jì)與制造水平的差異,現(xiàn)在設(shè)計(jì)的電站若直接套用幾十年前建成的電站的水輪機(jī),往往會(huì)使水輪機(jī)的參數(shù)偏低.因此,必要時(shí)對(duì)已建電站的水輪機(jī)參數(shù)作適當(dāng)修正后再套用.我國(guó)過(guò)去應(yīng)用較多的方法是按照水輪機(jī)型譜選擇水輪機(jī).但隨著水電開發(fā)的進(jìn)展,舊的水輪機(jī)型譜已不能滿足目前水電站設(shè)計(jì)的需要,設(shè)計(jì)者常采用不同的選型方法相互結(jié)合,相互驗(yàn)證,以保證水輪機(jī)選型的科學(xué)性與合理性.2.4用比轉(zhuǎn)速法選擇水輪機(jī)在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí),用比轉(zhuǎn)速選擇水輪機(jī)的主要參數(shù)也是較為常用的方法.由于比轉(zhuǎn)速包括了水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,功率,水頭3個(gè)基本工作參數(shù),因此它綜合反映了水輪機(jī)的特征.盡管在表達(dá)的形式上比轉(zhuǎn)速不是一個(gè)無(wú)量綱的參量,但它卻具有無(wú)量綱數(shù)的特性.按比轉(zhuǎn)速選擇水輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不受水輪機(jī)型譜中水頭段對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪的限制.3實(shí)例分析3.1工程簡(jiǎn)況岔河電站為洛吉河流域水電開發(fā)規(guī)劃的第3級(jí)電站,為年無(wú)調(diào)節(jié)徑流式水電站.電站引水渠道長(zhǎng)1426m,明敷壓力鋼管長(zhǎng)52.87m,最高水頭32.83m,設(shè)計(jì)水頭32.0m,最低發(fā)電水頭3O_3m,設(shè)計(jì)流量4.54m/s,裝機(jī)容量2500kw.多年平均發(fā)電量663.3萬(wàn)kWh,P=80%保證出力672kW,設(shè)備年利用6633h,主要為洛吉孤立鄉(xiāng)電網(wǎng)供電,電站概算總投資l055.29萬(wàn)元,工程于2008年4月開工建設(shè),于2009年l2月開始試運(yùn)行.3.2水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)岔河水電站設(shè)計(jì)水頭32.0m,單機(jī)容量500kW,為低水頭,小容量水輪發(fā)電機(jī)組,查中小型混流式和軸流水輪機(jī)使用范圍綜合圖,本電站水輪機(jī)可選擇混流式和軸流水輪機(jī).但在同一水頭下,采用轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)可縮減水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的尺寸,降低水電站的投資,但由于轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)葉片表面積小,單位流量和單位轉(zhuǎn)速較大,故氣蝕系數(shù)高于混流式水輪機(jī),轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍一般為出力的25%-100%,而混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍一般為出力的65%100%,因此本水電站選用混流式水輪機(jī).混流式水輪機(jī)則具有構(gòu)造簡(jiǎn)單,出力變化時(shí)對(duì)機(jī)組效率影響較小等優(yōu)點(diǎn),其轉(zhuǎn)速高,機(jī)組體積小,且運(yùn)轉(zhuǎn)可靠,效率較高,并有適應(yīng)水頭范圍寬的優(yōu)勢(shì),還可利用尾水管回收能量,減少?gòu)S房開挖工程,但在低負(fù)載時(shí)機(jī)組效率降低較多.經(jīng)機(jī)型選擇計(jì)算,初選了4個(gè)型號(hào)混流式水輪機(jī)和配套發(fā)電機(jī),如表1所示.表1岔河水電站水輪機(jī)選擇性能參數(shù)表走訪閩,浙,贛3省主要水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備制造廠,廠家表示表1中前2種機(jī)型均可生產(chǎn)供貨,福建省永定金豐水輪機(jī)械廠對(duì)表1中后2種機(jī)型均可生產(chǎn)供貨,初步報(bào)價(jià)2種機(jī)型的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)主設(shè)備價(jià)格相差懸殊,前2種平均l套40.0萬(wàn)元,后2種平均1套只有36.0萬(wàn)元.后2種機(jī)型的輔助設(shè)備配套和水工建筑物不同方案的投資對(duì)比,在造價(jià)上選用后2種混流式機(jī)組仍可節(jié)省4萬(wàn)元;此外選用HL295-LJZ-55水輪機(jī)在本站的水力條件下,運(yùn)行區(qū)域很理想,岔河水電站在流域梯級(jí)電站中主要擔(dān)負(fù)為近區(qū)供電任務(wù),為此初設(shè)推薦選用HL295一LJZ-55配SFW5006水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì).3.3混流立式整裝式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行問(wèn)題選擇混流立式整裝式水輪發(fā)電機(jī)組,其運(yùn)行狀況是我們最為關(guān)注的問(wèn)題,傳統(tǒng)同水頭和同容量混流臥式水輪發(fā)電機(jī)組,在我縣小水電站中運(yùn)行的有3座,都是2O世紀(jì)七八十年代修建的,通過(guò)實(shí)地調(diào)查,存在如下問(wèn)題:(1)發(fā)電機(jī)容易受潮;(2)震動(dòng)大,基礎(chǔ)容易開裂和下陷;(3)廠房占地面積大;(4)運(yùn)行幾年后出力大幅度下降:(5)水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸有安裝不到位問(wèn)題.但改進(jìn)混流立式整裝式水輪發(fā)電機(jī)組可解決這些問(wèn)題,取消2個(gè)9O.彎頭,使水流更順暢.還體現(xiàn)如下優(yōu)點(diǎn):(1)發(fā)電機(jī)主軸直接裝配轉(zhuǎn)輪,去除中間軸承(或軸瓦)傳動(dòng)環(huán)節(jié),不但提高了傳動(dòng)效率,而且還消除了傳動(dòng)環(huán)節(jié)常年運(yùn)行維修,損耗及拆卸安裝所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn).常年維護(hù)成本很低(臥式機(jī)組經(jīng)常加潤(rùn)滑油,安裝不好經(jīng)常燒瓦等).(2)水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)等設(shè)備就位安裝及調(diào)試l:Llb式機(jī)簡(jiǎn)單容易,均為止口配合安裝.能極大地降低安裝費(fèi)用及安裝時(shí)間.(3)蝸殼平放,用混凝土埋沒一半,無(wú)需地腳螺栓固定安裝.無(wú)需制作混凝土蝸殼,能實(shí)現(xiàn)地面層安裝水輪機(jī)及發(fā)電機(jī),極大地節(jié)省水工材料及時(shí)問(wèn)的投入.設(shè)計(jì)及水工成本大大減低.為此在初設(shè)時(shí)選用HL95一LJZ一55配SFW5006水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì).3.4運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)效益岔河水電站在大壩,引水系統(tǒng),廠房土建工程進(jìn)行預(yù)驗(yàn)收后,開始進(jìn)行蝸殼充水,機(jī)組啟動(dòng),帶負(fù)荷,甩負(fù)荷等試驗(yàn),并經(jīng)72h試運(yùn)行.由于有關(guān)單位的重視,配合和安裝隊(duì)的精湛工藝,機(jī)組試車基本上一次成功.其水量,各部溫度以及甩100%負(fù)荷的壓力,轉(zhuǎn)速ShejiYanjiu上升率均能符合設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件的要求.機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,噪音明顯降低,機(jī)組安裝各部間隙,擺度達(dá)到規(guī)范的優(yōu)良水平,在甩100%負(fù)荷時(shí)測(cè)量推力軸承最大振幅0.01rtlln,垂直振幅0.005-0.015turn,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定.試運(yùn)行時(shí)廠房噪音與同類型中低轉(zhuǎn)速機(jī)組的廠房相近,廠內(nèi)運(yùn)行條件尚可.岔河水電站選用HL95一LJZ一55配SFW500-6水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況良好,其經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的.(1)機(jī)組及配套設(shè)備加上水工建筑等因素,混流立式整裝式水輪發(fā)電機(jī)組比傳統(tǒng)混流式機(jī)組節(jié)省建設(shè)投資4l萬(wàn)元.(2)在岔河的水力和運(yùn)行條件下,混流立式整裝式水輪發(fā)電機(jī)組比傳統(tǒng)混流式機(jī)組的運(yùn)行效率高l%,年可多發(fā)電6.6萬(wàn)kWh,尾水管回收能量多利用水頭每年可多發(fā)電10.56萬(wàn)kWh,每年可增加售電收入2.7萬(wàn)元;按同樣設(shè)備年利用小時(shí)計(jì),相當(dāng)于多裝機(jī)25kW.(3)取消中間軸承(或軸瓦)傳動(dòng)環(huán)節(jié),不僅節(jié)省了設(shè)備和土建投資,每年可節(jié)約維護(hù)費(fèi)用1.2萬(wàn)元.(4)岔河水電站選用混流立式整裝式水輪發(fā)電機(jī)組在我縣屬首次,試運(yùn)行后,其運(yùn)行狀況良好,而且有較好的經(jīng)濟(jì)效益,為今后我縣低水頭,小容量的水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)和已建同類電站技術(shù)改造擴(kuò)大選型范圍提供了很好的經(jīng)驗(yàn).4結(jié)語(yǔ)水輪機(jī)是水電站的主要?jiǎng)恿υO(shè)備,在水電站的設(shè)計(jì)中,正確,合理地選擇水輪機(jī),對(duì)于充分利用水力資源,保證水電站機(jī)組的安全運(yùn)行,降低電站造價(jià)以及節(jié)省運(yùn)行管理費(fèi)用等方面,都有直接的影響.根據(jù)各個(gè)電站的水力資源條件和綜合利用的要求,選擇技術(shù)上合理,經(jīng)濟(jì)上能獲得最大效益的水輪機(jī),有利于電站今后的運(yùn)行管理和生產(chǎn)工作的安排等,便成為水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的主要任務(wù).水輪機(jī)選型涉及的技術(shù)經(jīng)濟(jì)內(nèi)容錯(cuò)綜復(fù)雜,包括水力資源的綜合利用,設(shè)備的制造和安裝及運(yùn)輸,土建工程,電力系統(tǒng)和用戶,電站機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)方式等.在選擇設(shè)計(jì)水輪機(jī)型號(hào)時(shí)必須全面考慮,進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì),技術(shù)比較,確定最終理想的型號(hào).尹參考文獻(xiàn)1-1海陵春.水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)(上)J.廣西電力工程,1996(3)23韓敏,羅中華.大型軸伸貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與開發(fā)J.東方電氣評(píng)論,200